CN103325432A

CN103325432A - 液态靶系统

Info

Publication number: CN103325432A
Application number: CN2013101802382A
Authority: CN
Inventors: 杨磊; 吴壮; 杨阳阳; 孟东原; 张勋超
Original assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Current assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2013-09-25

Abstract

本发明提供了一种液态靶系统，该液态靶系统包括：束流作用区，以及设置在束流作用区中的中子产生装置，该中子产生装置由裂变材料制成。本发明可有效提高液态靶系统的中子产出率。

Description

液态靶系统

技术领域

本发明涉及一种液态靶系统。

背景技术

目前的液态金属靶一般采用重金属如铅铋合金作为靶流体，这类靶流体密度大，需要提供较大的驱动功率使其在靶件管道中流动，并且流动时对靶窗和管道壁的冲击和磨蚀较为严重，对靶件的稳固性要求较高。此外，发明人研究发现，一些液态金属靶可能存在中子产出率较低的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种液态靶系统，该液态靶系统能够确保较高的中子产出率。

本发明的另一个目的是提供一种液态靶系统，该液态靶系统采用液态镓金属作为液态靶，由此可以减小驱动功率以及靶窗和管道壁受到的冲击和磨蚀，同时该液态靶系统能够确保较高的中子产出率。

根据本发明的一方面，本发明提供了一种液态靶系统，该液态靶系统包括：束流作用区，以及设置在束流作用区中的中子产生装置，该中子产生装置由裂变材料制成。

根据本发明的一方面，中子产生装置设置在束流方向上的、靶流体受束流作用的部分的下游。

根据本发明的一方面，所述液态靶系统还包括：束流管，其中中子产生装置设置在束流管下方。

根据本发明的一方面，所述裂变材料包括铀、钍和钚中的至少一种。

根据本发明的一方面，所述中子产生装置包括多个大致同轴设置的筒。

根据本发明的一方面，所述液态靶系统还包括：作为靶流体的液态镓金属。

根据本发明的一方面，筒的厚度为2mm-4mm和/或筒的数量为10-20层。

根据本发明的一方面，所述液态靶系统还包括：束流管，容纳束流管的外管，设置在所述外管与束流管之间的导流管，以及泵，该泵设置在外管与导流管之间的环形空间或束流管与导流管之间的环形空间内。

根据本发明的一方面，所述泵包括在导流管纵向方向上延伸的注气管，以及设置在注气管的端部、并与注气管流体连通的喷嘴；或者在导流管纵向方向上延伸的多个在周向上间隔开的注气管，该注气管将环形空间分隔成多个流道以及设置在注气管的诸如下端的端部、位于相邻注气管之间，并与注气管流体连通的喷嘴。

根据本发明的一方面，所述液态靶系统还包括用于驱动靶流体的泵，所述泵包括：注气管，以及设置在注气管的诸如下端的端部、并与注气管流体连通的喷嘴；或多个间隔开的注气管，设置在注气管的诸如下端的端部、位于相邻注气管之间，并与注气管流体连通的喷嘴。

根据本发明的一方面，喷嘴大致沿周向布置成分别靠近环形空间的内周和外周的两排。

根据本发明的一方面，所述喷嘴设置在注气管的下端部并与注气管的下端部流体连通。

根据本发明的一方面，所述中子产生装置是中子增殖装置。

根据本发明的一方面，所述中子产生装置包括多个棒状的部件，所述多个棒状的部件排列成多个大致同心的环。

本发明具有以下有益效果：第一，由于液态镓金属密度比液态铅铋合金小，因此在同一靶型中，以液态镓金属作为靶材料和冷却剂所需提供的驱动功率相应较小；第二，由于液态镓金属比热容较液态铅铋合金大，在相同束流功率作用下，采用液态镓金属作为靶材料和冷却剂时单位时间温升较慢；第三，增加增殖套筒一方面弥补了由于采用液态镓金属作为靶材料导致的中子产出率降低的问题，另一方面，通过改变增殖套筒的单层厚度、套筒的总层数和布置位置等参数，可以控制产出中子的能谱与空间通量分布。第四，根据本发明的泵相对于其它机械泵结构简单，无转动部件，不易发生故障，维护成本低；另一方面，注气管道的截面为扇形，可通过改变扇形圆心的张角大小来改变气液混合物通道截面面积，以设计不同驱动能力的泵。

附图说明

图1为根据本发明实施例的液态靶系统的示意图；

图2为根据本发明实施例的液态靶系统的示意局部剖视图；

图3为根据本发明实施例的液态靶系统的液态金属循环流动的示意图；

图4为根据本发明实施例的金属铀增殖套筒的结构示意图；以及

图5为根据本发明实施例的泵的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1至图3示出了根据本发明的示例性实施例的液态靶系统100，该液态靶系统100整体结构可以为轴对称结构，并且该液态靶系统100可以安装在ADS系统或中子源系统中。液态靶系统100可在加速器驱动次临界系统(ADS)中作为中子驱动源，也可在散裂中子源系统中作为中子源，并能产生高通量中子。

如图1、2所示，根据本发明的示例性实施例的液态靶系统100包括束流作用区5，以及设置在束流作用区5中的中子产生装置6，该中子产生装置6可由裂变材料制成。由此中子产生装置6可以构成中子增殖系统，用于实现中子的转换和增殖。液态靶系统100还包括束流管7，容纳束流管7的外管9，设置在所述外管9与束流管7之间的导流管8，以及泵4，该泵4设置在束流管7与导流管8之间的环形空间内。作为选择，该泵4也可以设置在外管9与导流管8之间的环形空间内。该泵4可以是任何合适的泵。该泵4用于驱动靶流体进行循环。液态靶系统100也可以采用根据本发明的泵。液态靶系统100可以包括作为靶流体的镓、汞、铅铋合金等。使用液态镓金属作为靶流体，可解决目前散裂靶件中广泛使用的重金属靶流体需要较大驱动功率及在束流作用下升温过快的技术问题。

参见图1至3，中子产生装置6可以设置在束流方向上的、靶流体受束流作用的部分的下游。

如图1至3所示，所述液态靶系统100还包括与束流管7连接的靶窗12。束流管7与靶窗12连接为整体。中子产生装置6设置在靶窗12附近。中子产生装置6可以设置在任何能够受到质子束流作用的位置和受到靶流体产生的中子作用的位置中的至少一种位置，例如，中子产生装置6设置在靶窗12或束流管7的下方。

此外，中子产生装置6也可以用于无窗液态靶系统。对于无窗液态靶系统，例如中子产生装置6可以设置在束流管的下方，或靶流体的受质子束流作用的部分之下。

所述液态靶系统100还包括换热冷却系统1、控制系统等。换热冷却系统包括换热器，当热的靶流体从换热冷却系统流过时，换热器内的冷流体通过与热的靶流体发生热交换，将靶流体的热量带走，使靶流体冷却。

中子产生装置6的裂变材料可以是铀、钍、钚等任何在质子束流作用下产生中子的裂变材料，例如可以是易裂变材料。中子产生装置6可以用于中子的转换和增殖。中子产生装置6还可用铀238和铀235的氧化物陶瓷制成(其中铀235的丰度不可超过20％)。

例如，根据本发明的一种实施方式，来自加速器的质子首先与靶流体作用产生中子，这些中子作用于中子产生装置6，产生更多的中子，另外部分质子也会与中子产生装置6作用，而使中子产生装置6产生中子，因此，中子产生装置6可以是中子增殖装置。根据本发明的另一种实施方式，来自加速器的质子与靶流体作用产生中子，并且来自加速器的质子与中子产生装置6作用产生中子，由此中子产生装置6产生的中子与靶流体产生的中子共同用于提供中子源。因此，中子产生装置6可以以任何适当的方式提供中子，例如对靶流体产生的中子进行补充，单独提供所有的中子等。如图3所示，束流管7与导流管8之间的环形空间构成内环形流腔10，外管9与导流管8之间的环形空间构成外环形流腔11，靶流体在导流管8的端部处从外环形流腔11流入内环形流腔10，或从内环形流腔10流入外环形流腔11，由此形成靶流体的流动通道3。如图3所示，靶流体注入液态靶系统后，泵4驱动靶流体在内环形流腔10中向上流动，靶流体流经靶窗12后继续向上，在导流管8上端部进入所述外环形流腔11中，并向下流动。靶流体到达导流管8的下端部后从导流管8开口处再次进入内环形流腔10，形成循环流动的流体。图中空心箭头表明靶流体的循环流动情况。换热冷却子系统1位于外管9的上部。

如图4所示，所述中子产生装置6可以包括多个大致同轴设置的筒，例如圆柱套筒13。套筒13可以是增殖套筒。套筒13的厚度可以为2mm-4mm或任何其他合适的尺寸，并且套筒的数量可以为10-20层或更多或更少的层。改变圆柱套筒的数量、厚度和空间布局可调节产出的中子的能谱和强度。圆柱筒的高度不同，可根据质子束流在此区域的能量沉积分布调整圆柱筒的布局，避免圆柱筒处于能量密度极高的区域。例如，圆柱筒的上端可以布置成与半球状的靶窗12大致等间距。作为选择，所述中子产生装置6可以包括一个筒。

此外，中子产生装置6还可由制成棒状的部件按同心排布的方式设置于固定支架上构成，棒状部件可以在其外部覆有较薄的金属包壳。棒状部件的直径可为2-6mm或任何其他合适的尺寸，长度可为10-20cm或其他任何合适的尺寸，排列圈数可以为10-20层或更多或更少的层。根据需要可以采用一个或多个中子产生装置沿轴向方向(例如沿束流管7的轴向方向)安装。此外，中子产生装置6可以是任何合适的其它部件。

如图5所示，根据本发明的用于驱动靶流体的泵4包括：多个间隔开的注气管14，设置在注气管14的诸如下端的端部、位于相邻注气管14之间，并与注气管14流体连通的喷嘴15，例如与注气管14的下端流体连通的喷嘴15。喷嘴15可以布置成诸如两排的多排。通过从注气管14注入气体，驱动靶流体流动，因此泵4可以构成为气泡泵。

如图2和图5所示，注气管14在导流管8纵向方向上延伸并在周向上间隔开，该注气管14将环形空间(例如，内环流腔10)分隔成诸如3-8个的多个流道。多个流道可以具有同样的横截面积或不同的横截面积。所述注气管14可以具有任何合适形状的横截面，如矩形、条状或大致扇形的横截面。多个流道可以大致在导流管8的长度上隔离流体，或者多个流道可以大致在导流管8的长度上存在一定程度的流体连通。喷嘴15可以大致沿周向布置成分别靠近环形空间的内周和外周的两排或者大致同心的多排。注气管14和喷嘴15的布置取决于环形空间的形状，在环形空间为圆形的情况下，注气管14和喷嘴15可以沿圆周布置。每一个注气管14可与多个喷嘴15连接，例如与2个、3个、4个等多个喷嘴15连接，与每一个注气管14连接的喷嘴15可以位于注气管14的端部的一侧或两侧。每一个喷嘴15可以设有1-6个通气孔，例如通气孔可以朝上开口，气体由此喷出并驱动诸如液态镓金属流体的靶流体向上流动。

如图5所示，注气管14的长度和伸入靶流体液面以下的深度根据需要决定。本例中每根注气管14的长度可以为1-4米，注气管道横截面积为扇形，扇形对应的圆心角可以为10-40度。注气管14的长度可以相通或不同。图5中，注气管14将内环形流腔10分隔为横截面积相等的四个区域。注气管14可以竖直设置，或倾斜设置。

上述实施例中，泵4设有多个注气管14，根据本发明的实施方式，泵4也可以设有一个注气管14。

泵4的注入气体可由压缩机提供，压强大小可由下式计算、注气流量可由节流阀控制，以达到需要的驱动能力。气体可以是空气或其他合适的气体，例如氮气、氦气、二氧化碳等，，使用何种气体主要取决于靶流体的种类，即气体不与靶流体发生化学反应，在辐照作用下不易产生感生放射性。

P_驱＝1.2*ρ₁*g*H

其中：P_驱为注气压强，ρ₁注气密度，g为重力加速度，H为气泡泵伸入靶流体液面以下的深度。

如图1至3所示，束流作用区5、靶窗12、中子产生装置6等构成束流作用子系统2。

本发明的液态靶系统100具体工作过程如下。

靶流体注入作为有窗散裂靶件系统的液态靶系统100后，泵4驱动靶流体在内环形流腔10中向上流动，通过束流作用子系统2后继续向上，在导流管8上部进入所述外环形流腔11，同时气液混合物中的气体从液体中分离出来从顶部排出，不含气体的液体靶流体向下流动，到达导流管8底部后从导流管8开口处再次进入内环形流腔10，形成循环流动的流体。同时，由强流质子加速器提供的质子束流进入束流管7，作用于诸如液态镓金属流体的靶流体并发生散裂反应产生中子，这些产生的中子作用于增殖套筒13，诱发诸如金属铀的裂变材料的裂变并释放出更多中子。在释放中子的同时系统会放出大量的热，使原本冷的靶流体迅速变热，由于泵4的驱动，热的靶流体向上流动，在流经换热冷却子系统1时通过换热器套管壁与换热器内的冷流体发生热交换，换热器内的冷流体将其热量带走，使靶流体冷却。经实验测定，在质子束流能量为1.5GeV时，相对于单一镓金属流体，增加增殖套筒后中子产出量约为原来的两倍。

根据本发明的液态靶系统，强流质子加速器提供的质子束流作用于液态镓金属流体发生散裂反应，所产生的中子作用于裂变材料的套筒进一步诱发裂变，产生更多中子。所述泵可驱动液态镓金属流体在所述液态镓金属流道内形成循环流动的流体。金属镓的密度较小，因此驱动液态镓金属所需功率较小，且镓熔点低(29.78℃)沸点高(2403℃)，可以在较低的初始温度下工作。本发明中，在束流作用区中设有裂变材料的套筒，裂变材料的套管能够显著地提高中子的产出率。此外，本发明解决了现有技术中有窗液态金属散裂靶件内机械泵结构复杂、振动大、自身发热及维护频繁等缺点。

Claims

1.一种液态靶系统，包括：

束流作用区，以及

设置在束流作用区中的中子产生装置，该中子产生装置由裂变材料制成。

2.根据权利要求1所述的液态靶系统，其中

中子产生装置设置在束流方向上的、靶流体受束流作用的部分的下游。

3.根据权利要求1所述的液态靶系统，还包括：

束流管，

其中中子产生装置设置在束流管下方。

4.根据权利要求1所述的液态靶系统，其中

所述裂变材料包括铀、钍和钚中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的液态靶系统，其中

所述中子产生装置包括多个大致同轴设置的筒。

6.根据权利要求1所述的液态靶系统，还包括：

作为靶流体的液态镓金属。

7.根据权利要求5所述的液态靶系统，其中

筒的厚度为2mm-4mm和/或筒的数量为10-20层。

8.根据权利要求1所述的液态靶系统，还包括：

束流管，

容纳束流管的外管，

设置在所述外管与束流管之间的导流管，以及

泵，该泵设置在外管与导流管之间的环形空间或束流管与导流管之间的环形空间内。

9.根据权利要求8所述的液态靶系统，其中

所述泵包括在导流管纵向方向上延伸的多个在周向上间隔开的注气管，该注气管将环形空间分隔成多个流道，以及设置在注气管的端部、位于相邻注气管之间，并与注气管流体连通的喷嘴；或

所述泵包括在导流管纵向方向上延伸的注气管，以及设置在注气管的端部、并与注气管流体连通的喷嘴。

10.根据权利要求1所述的液态靶系统，还包括：

用于驱动靶流体的泵，所述泵包括：注气管，和设置在注气管的端部并与注气管流体连通的喷嘴；或多个间隔开的注气管和设置在注气管的端部、位于相邻注气管之间，并与注气管流体连通的喷嘴。

11.根据权利要求9所述的液态靶系统，其中

喷嘴大致沿周向布置成分别靠近环形空间的内周和外周的两排。

12.根据权利要求9或10所述的液态靶系统，其中

所述喷嘴设置在注气管的下端部并与注气管的下端部流体连通。

13.根据权利要求1所述的液态靶系统，其中

所述中子产生装置是中子增殖装置。

14.根据权利要求1所述的液态靶系统，其中

所述中子产生装置包括多个棒状的部件，所述多个棒状的部件排列成多个大致同心的环。